我國煤炭消費產(chǎn)生的溫室氣體和大氣污染排放研究

李莉,雷涯鄰,3,吳三忙,江勇，楊謹(jǐn)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083;2.自然資源部資源環(huán)境承載力評價重點實驗室,北京 100083；3.北京化工大學(xué),北京 100029)

能源資源是經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略物資。隨著工業(yè)文明的不斷進(jìn)步以及人們對生活品質(zhì)、舒適度需求的提高,人類社會對于能源資源的需求和依賴程度也在不斷加強(qiáng)。但同時,不可再生資源加速枯竭、區(qū)域性大氣污染、自然生態(tài)環(huán)境破壞、全球氣候變暖等壓力依然存在。能源資源的有限性和片面追求經(jīng)濟(jì)增長而導(dǎo)致的資源浪費和環(huán)境污染等問題日益引起人們重視。由于我國富含煤炭資源,在今后較長時期內(nèi),以煤炭為主的化石能源仍將是我國的主體能源。到2030年,煤炭消費比重仍然會在50%左右[1],煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2仍然不容忽視。我國煤炭消費量大,能源消費的高碳特征比較明顯，因而在節(jié)約能源和提高單位能源消費的產(chǎn)出效益上仍有較大空間。還有一些大氣污染物的產(chǎn)生與消費尤其是煤炭消費相關(guān)，在煤炭的開采和利用中產(chǎn)生的PM2.5、SO2、煙塵、粉塵等是我國大氣污染的重要來源。就全國來說,煤炭消費對PM2.5年均濃度的貢獻(xiàn)大約占56%[2]。大氣污染尤其PM2.5污染是影響人類健康的主要危害因素之一[3]。大氣污染不僅嚴(yán)重影響了公眾的健康[4-6],而且也在一定程度上影響了城市形象甚至國家形象。因此,定量核算煤炭消費產(chǎn)生的大氣污染物排放量,尤其是PM2.5排放量,是實施污染控制的前提和依據(jù)。

目前,能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭消費占比在降低,但煤炭在能源消費結(jié)構(gòu)中的比例與歐美國家的相比仍然差距較大,清潔可再生能源的消費占比還需要提高。據(jù)此,本文以煤炭資源為研究對象,構(gòu)建了資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上,研究其對CO2排放量和大氣污染物尤其是PM2.5排放量的影響,有利于為未來的能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以及CO2減排和大氣污染減排提供建議。

1 資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)構(gòu)建

在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中,資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)三大系統(tǒng)之間的關(guān)系密切。環(huán)境系統(tǒng)是煤炭開采規(guī)模和速度的基礎(chǔ),但是煤炭開采的規(guī)模和速度又會影響區(qū)域的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。反之,經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)又為改善環(huán)境系統(tǒng)提供物質(zhì)和資金保障。資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)形成了一個相互作用的系統(tǒng),此系統(tǒng)的有序聯(lián)動,可以為生態(tài)文明建設(shè)提供前提和基礎(chǔ)。

第一,資源-環(huán)境系統(tǒng)的聯(lián)動。在煤炭地區(qū),資源-環(huán)境系統(tǒng)的聯(lián)動包括以下過程：在開采和利用當(dāng)?shù)孛禾抠Y源的同時,對環(huán)境造成了破壞;根據(jù)煤炭開采區(qū)所獨有的自然系統(tǒng),以及對生態(tài)環(huán)境的破壞程度,規(guī)劃生態(tài)治理的線路,最終使得煤炭開采區(qū)域的生態(tài)環(huán)境得到恢復(fù)。

第二,資源-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的聯(lián)動。依托所在煤炭地區(qū)的資源,在保障資源安全和生態(tài)環(huán)境的前提下,對煤炭行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行升級改造,可以將煤炭資源開發(fā)利用、火力發(fā)電、煤化工等過程進(jìn)行結(jié)合。通過在煤炭礦區(qū)周圍建設(shè)設(shè)施齊全的能源資源基地,推動所在區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

第三,資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的和諧聯(lián)動。資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三大系統(tǒng)之間的聯(lián)動意味著煤炭地區(qū)實現(xiàn)三者可持續(xù)循環(huán)發(fā)展的模式，也即當(dāng)?shù)卣笾g實現(xiàn)發(fā)展理念一致、動作一致、目標(biāo)一致,對資源的適當(dāng)開采和對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)進(jìn)行合理規(guī)劃,以實現(xiàn)煤炭資源循環(huán)漸進(jìn)有序開采、經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展、人民生活不斷前進(jìn)的多重目標(biāo)。

分析上述三種聯(lián)動模式可知,資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展,指在資源開發(fā)中,應(yīng)該采用清潔高效的開采技術(shù),使資源的利用效率最大化,資源浪費最小化,同時對煤炭開采時產(chǎn)生的伴生資源進(jìn)行綜合合理利用;資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的污染破壞需要達(dá)到最小化,將產(chǎn)生的CO2和大氣污染物的量降到最低,對礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境及時治理并恢復(fù),實現(xiàn)資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和諧發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展;在保證煤炭區(qū)域內(nèi)資本存量滿足當(dāng)?shù)匦枰耐瑫r,又不影響后代未來發(fā)展的需要。資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三大系統(tǒng)間相互作用的機(jī)理如圖1所示。

圖1 資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三大系統(tǒng)作用機(jī)理

2 資源環(huán)境核算

2.1 煤炭資源消費產(chǎn)生的CO2排放量核算

2.1.1 核算方法

CO2排放量核算是氣候模型構(gòu)建、各國減排政策制定及國際談判的基礎(chǔ)。當(dāng)前，國家和全球的CO2排放量主要由國際機(jī)構(gòu)依據(jù)IPCC 方法和能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。CO2排放量的核算參數(shù)及方法主要來自于發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗值,可能會錯誤估計中國CO2排放量。CEADs 研究團(tuán)隊基于物質(zhì)守恒理論,以能源平衡表為基礎(chǔ),開發(fā)出一套適用于中國多尺度(國家-省區(qū)-地級市)的CO2排放清單編纂模型,并采用更符合中國能源品質(zhì)的實測排放因子,系統(tǒng)編纂中國多尺度CO2排放清單[7],目的在于準(zhǔn)確衡量中國CO2排放量。一般來說,CO2排放的核算包括能源消費相關(guān)的CO2排放和工業(yè)生產(chǎn)過程的CO2排放。

由于能源消費中以煤炭消費為主，且其產(chǎn)生的CO2排放占絕大部分。因此,本部分只核算煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量,即煤炭資源消費量乘以CO2排放因子。數(shù)據(jù)來自2017年的中國能源統(tǒng)計年鑒[8]和實測排放因子[7]。計算公式如下：

E=CF。

(1)

式中:E為煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量;C為煤炭消費量;F為煤炭消費的CO2排放因子。

2.1.2 核算結(jié)果

科學(xué)合理地核算CO2排放量是制定碳減排策略的基礎(chǔ)。但是CO2排放量的估算受很多因素的影響,如能源消費量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計口徑與統(tǒng)計方法、排放因子的數(shù)值選取、不合理的統(tǒng)計數(shù)據(jù)等都會對CO2排放量的估算造成一定影響。根據(jù)IPCC(2006)國家溫室氣體清單指南推薦的計算方法,本文選取1980—2016年煤炭消費量[8]和實測排放因子,粗略估算了煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量,如圖2所示。

圖2 1980—2016年煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量

從圖2中可以看出：在1980—2002年間,CO2排放量呈現(xiàn)平穩(wěn)增長；在2003年后,隨著經(jīng)濟(jì)增長和煤炭消費量的大幅增加,CO2排放量也隨之大幅增加；在2013年達(dá)到此期間的最高點(70.05億t)，此后逐年降低；自2014年起CO2排放量呈下降趨勢，這與煤炭消費量下降、國家積極采取能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變政策相關(guān)。

2.2 煤炭資源消費產(chǎn)生的PM2.5排放量核算

2.2.1 核算方法

各種能源的成分不同,其PM2.5排放因子也不同,參照北京市污染源普查數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[9-10],總結(jié)出了煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放因子取值，得煤炭資源消費產(chǎn)生的PM2.5排放量計算公式,見表1。

表1 煤炭資源消費產(chǎn)生的PM2.5排放量計算公式

2.2.2 核算結(jié)果

本文選取1980—2016年煤炭消費量[8]和文獻(xiàn)[9]中煤炭消費的PM2.5排放因子,粗略估算了煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放量，如圖3所示。

圖3 1980—2016年煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放量

從圖3可以看出：在1980—2002年間,PM2.5排放量從45.08萬t增長到120.34萬t；自2003年后,PM2.5排放量隨著煤炭消費量的增加而增加,在2013年達(dá)到最高點(291.1萬t)。2013年1月,全國多個省市出現(xiàn)了不同程度的霧霾污染,由此,政府開始對PM2.5的質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測。隨后，隨著煤炭消費總量控制政策的實施,煤炭消費量下降,PM2.5排放量也隨之緩慢下降。2016年,煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放量已下降到279.9萬t。

2.3 結(jié)果分析與預(yù)測

1)煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量結(jié)果分析和預(yù)測。按照中國歷年實際公布的CO2排放量數(shù)據(jù)(Wind數(shù)據(jù)庫中可獲得)和煤炭消費產(chǎn)生的CO2占比為80%的背景核算出來的煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量,與本文核算的圖2中顯示的1980—2016年煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量對比,發(fā)現(xiàn)誤差在4%以內(nèi)(2004年除外),說明本文核算結(jié)果可靠。

根據(jù)此方法,設(shè)定中國未來存在3種發(fā)展模式,即低、中、高排放模式。低排放模式下,能源消費結(jié)構(gòu)中高碳燃料占比小;中排放模式下能源消費結(jié)構(gòu)中高碳燃料占比適中;高排放模式假定能源消費結(jié)構(gòu)中高碳燃料占比較高。

基于本文所采用的核算方法和ZHOU Nan等[11]關(guān)于2020—2035年低排放、中排放和高排放三種不同的發(fā)展模式和煤炭消費結(jié)構(gòu)的預(yù)測結(jié)果,預(yù)測出2020—2035年煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量,如圖4所示。

圖4 2020—2035年煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量預(yù)測

由圖4可知：在低排放模式下,煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量在2024年達(dá)到峰值(66.16億t)；在中排放模式下,煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量在2027年達(dá)到峰值(70.68億t)；在高排放模式下,煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量在2030年達(dá)到峰值(74.99億t)。

2)煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放量結(jié)果分析和預(yù)測。根據(jù)本文關(guān)于煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放量的計算方法,以及《國家能源革命戰(zhàn)略(2016)》提到的2020年將能源消費總量控制在50億t標(biāo)煤以內(nèi),到2030年控制在60億t的發(fā)展目標(biāo)[12],以及對年均增速的設(shè)定[13],本文預(yù)測出2020—2035年煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放量,如圖5所示。

圖5 2020—2035年煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放量預(yù)測

由圖5可以看出,在低、中、高排放模式下,2035年煤炭消費產(chǎn)生的PM2.5排放量分別為341.4萬t、348.1萬t、354.8萬t。

3 結(jié)語

為降低煤炭消費產(chǎn)生的CO2排放量和PM2.5污染量,可以從以下方面制定政策,推動環(huán)境有效治理,實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

1)加強(qiáng)煤炭消費總量控制,提高煤炭凈化比重。煤炭消費產(chǎn)生的碳排放量和PM2.5排放量較大,因此,需要繼續(xù)實行煤炭消費總量控制的措施，同時,提高煤炭凈化比重,降低能源碳含量,實現(xiàn)能源低碳化。大力發(fā)展煤凈化技術(shù)是煤炭實現(xiàn)低碳化的一個切實可行的策略。從能源消費比例上看,煤炭占比盡管在下降,但是仍然高于世界平均水平,清潔高效能源的占比不足。正確把握能源消費結(jié)構(gòu)的基本方向,引導(dǎo)能源消費結(jié)構(gòu)向新能源轉(zhuǎn)變。石油和天然氣的單位消費量產(chǎn)生的碳排放量較煤炭的低了10%～30%。煤炭資源消費也應(yīng)向煤炭、石油、天然氣并重的現(xiàn)代型能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,利用好“西氣東輸”工程,做好能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

2)開發(fā)利用清潔能源。諸如太陽能、地?zé)崮艿刃履茉纯梢杂行Ы档突茉聪M帶來的二氧化碳和大氣污染物,對于解決環(huán)境污染問題、實現(xiàn)環(huán)境治理具有重要的實際意義。比如地?zé)崮茏鳛橐环N潔凈無污染的可再生能源,具有巨大的能源開發(fā)和利用優(yōu)勢,相比風(fēng)能、太陽能,它不受氣候、季節(jié)、晝夜等等因素的干擾,并且儲量大、分布廣泛、利用率高,在節(jié)能減排、環(huán)保凈化等方面,有著巨大的作用和競爭優(yōu)勢。我國地?zé)豳Y源十分豐富,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于很多地?zé)崮芾么髧?高效、可持續(xù)地開發(fā)利用地?zé)豳Y源能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。清潔能源的利用對構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)具有非常重要的意義。

3)CO2驅(qū)油與埋存。CO2驅(qū)油與埋存項目可以通過埋存,達(dá)到油氣增產(chǎn)和CO2排放量減少的雙重目標(biāo),或者通過驅(qū)油提高清潔能源的資源利用率和清潔能源供給量以實現(xiàn)減排。要實現(xiàn)大規(guī)模的CO2減排量,技術(shù)是最好的備選措施。雖然目前主要集中在技術(shù)研究開發(fā)和部分規(guī)模的示范階段,減排技術(shù)的先進(jìn)性和效益性也未得到全社會的認(rèn)可,但CO2驅(qū)油與埋存項目進(jìn)程卻能加速該技術(shù)的進(jìn)展,并激勵促進(jìn)低碳領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的全面快速發(fā)展,這就為大規(guī)模CO2減排提供了現(xiàn)實基礎(chǔ)。同時,減排技術(shù)市場化的成功運作和示范,也將推動更多低碳技術(shù)進(jìn)入項目應(yīng)用和市場化運作。我國已將CO2驅(qū)油與埋存納入了國家戰(zhàn)略規(guī)劃中,此項規(guī)劃將在降低溫室氣體排放上起到重要的作用。由于煤炭、電力、化工等部門的碳排放較高,因此需要加大CO2驅(qū)油和埋存項目與煤炭、電力和化工行業(yè)的結(jié)合,為未來我國乃至全球的CO2減排作出貢獻(xiàn)。